Dấu ấn hệ gen

Dấu ấn hệ gen (genomic imprinting) là một hiện tượng biểu sinh, trong đó một tập hợp con của các gen chỉ được biểu hiện từ một trong hai alen của cha hoặc mẹ tùy thuộc vào nguồn gốc di truyền. Một số gen có dấu ấn chỉ được biểu hiện từ bản sao di truyền từ mẹ và một số khác chỉ từ bản sao di truyền từ cha. Dấu ấn được thiết lập dưới dạng dấu hiệu methyl hóa DNA trong dòng mầm, tồn tại qua quá trình tái lập trình phôi sớm, và sau đó được đọc trong suốt cuộc đời của cá thể.

Definition

Dấu ấn hệ gen là sự đánh dấu biểu sinh của một số gen nhất định trong dòng mầm, sao cho chúng chỉ được biểu hiện từ alen di truyền từ mẹ hoặc chỉ từ alen di truyền từ cha ở thế hệ con.

Scope

Chủ đề này bao gồm định nghĩa và logic sinh học của dấu ấn hệ gen, việc thiết lập các dấu hiệu methyl hóa đặc trưng theo cha mẹ trong dòng mầm, các vùng kiểm soát dấu ấn và các cụm gen mà chúng điều chỉnh, việc duy trì dấu ấn qua quá trình phát triển, và cách giải thích tiến hóa về sự tồn tại của dấu ấn. Các tình trạng cụ thể ở người được đề cập trong chủ đề rối loạn dấu ấn hệ gen.

Core questions

• Một gen có dấu ấn nghĩa là gì?
• Dấu ấn đặc trưng theo cha mẹ được thiết lập trong trứng và tinh trùng như thế nào?
• Dấu ấn được duy trì như thế nào trong khi phần còn lại của hệ gen được tái lập trình trong phôi?
• Tại sao dấu ấn hệ gen lại tiến hóa nếu nó hy sinh sự an toàn của việc có hai alen hoạt động?

Key concepts

• Biểu hiện đặc hiệu theo nguồn gốc từ cha mẹ
• Thiết lập dấu ấn trong dòng mầm
• Các vùng methyl hóa khác biệt (vùng kiểm soát dấu ấn)
• Các cụm gen có dấu ấn
• Duy trì thông qua tái lập trình phôi
• Các gen biểu hiện từ mẹ so với các gen biểu hiện từ cha

Key theories

Thuyết xung đột cha mẹ (họ hàng)

Dấu ấn hệ gen được giải thích là sản phẩm của một cuộc xung đột tiến hóa giữa các alen di truyền từ mẹ và cha về việc chuyển giao tài nguyên cho con cái, dự đoán rằng các gen biểu hiện từ cha có xu hướng tăng cường và các gen biểu hiện từ mẹ có xu hướng hạn chế sự phát triển.

Mechanisms

Dấu ấn là các dấu hiệu biểu sinh khác biệt, chủ yếu là methyl hóa DNA, được thiết lập tại các vùng kiểm soát dấu ấn trong quá trình tạo giao tử: một số trình tự được methyl hóa trong dòng mầm cái và một số khác trong dòng mầm đực. Sau khi thụ tinh, khi hầu hết hệ gen được khử methyl và tái methyl hóa, các vùng kiểm soát dấu ấn này được bảo vệ để các dấu hiệu của cha mẹ được duy trì. Tình trạng methyl hóa của một vùng kiểm soát dấu ấn sau đó điều chỉnh sự biểu hiện đặc hiệu alen của các gen lân cận, thường bằng cách kiểm soát chức năng chất cách điện (insulator) hoặc sự phiên mã RNA không mã hóa (noncoding-RNA) trên một cụm gen có dấu ấn, sao cho một alen của cha mẹ được biểu hiện và alen kia bị im lặng. Gen Igf2 ở chuột đã cung cấp một minh chứng ban đầu cho thấy một gen nhiễm sắc thể thường có thể được biểu hiện theo cách phụ thuộc vào nguồn gốc từ cha mẹ.

Clinical relevance

Bởi vì một gen có dấu ấn chỉ có một bản sao hoạt động về mặt chức năng, một đột biến, xóa gen hoặc thay đổi biểu sinh ảnh hưởng đến bản sao đó không được đệm bởi alen còn lại, do đó dấu ấn làm cho một số locus trở nên đặc biệt dễ bị tổn thương và gây ra bệnh phụ thuộc vào nguồn gốc từ cha mẹ. Chủ đề này giải thích tại sao nguồn gốc từ cha mẹ của một thay đổi di truyền có thể quyết định liệu bệnh có xuất hiện và xuất hiện như thế nào; nó mang tính mô tả và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Epidemiology

Các gen có dấu ấn chỉ chiếm một phần nhỏ của hệ gen, ước tính khoảng vài trăm gen, và tập trung thành các cụm. Chúng có tầm quan trọng vượt trội trong sự phát triển, chức năng nhau thai và phát triển não bộ so với số lượng của chúng.

History

Các thí nghiệm cấy ghép nhân vào những năm 1980 đã chỉ ra rằng hệ gen của mẹ và cha không thể hoán đổi cho nhau, thiết lập sự tồn tại của dấu ấn hệ gen. Kỷ nguyên phân tử bắt đầu vào khoảng năm 1991 khi gen Igf2 ở chuột được chứng minh chỉ biểu hiện từ alen của cha, và các công trình tiếp theo đã lập bản đồ các cụm gen có dấu ấn, xác định các vùng kiểm soát dấu ấn, và liên kết dấu ấn với methyl hóa DNA và RNA không mã hóa. Thuyết xung đột cha mẹ (parental-conflict theory) trong tiến hóa đã cung cấp một khuôn khổ có ảnh hưởng để giải thích lý do tồn tại của dấu ấn hệ gen.

Key figures

• Azim Surani
• Wolf Reik
• Anne Ferguson-Smith
• Shirley Tilghman
• David Haig

Seminal works

• dechiara-1991
• reik-walter-2001
• peters-2014

Frequently asked questions

Dấu ấn hệ gen khác với đột biến như thế nào?

Dấu ấn hệ gen không làm thay đổi trình tự DNA; nó là một dấu hiệu biểu sinh, chủ yếu là methyl hóa DNA, làm im lặng một bản sao gen từ cha mẹ. Do đó, cùng một gen có thể hoạt động hoặc im lặng chỉ tùy thuộc vào việc nó được thừa hưởng từ cha hay mẹ.

Dấu ấn có vĩnh viễn không?

Trong một cá thể, dấu ấn ổn định, nhưng trong dòng mầm, các dấu ấn cũ bị xóa và thiết lập lại theo giới tính của người đó, vì vậy dấu ấn của một gen có thể thay đổi khi nó được truyền sang thế hệ tiếp theo.